船舶配電系統(tǒng)的新技術(shù)及發(fā)展

李也

摘 要：為保證船舶電力變換系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠工作，船舶電力變換系統(tǒng)之間的相互作用理論及相關(guān)穩(wěn)定控制方法是目前綜合電力系統(tǒng)的重要研究?jī)?nèi)容之一。本文就船舶電力變換系統(tǒng)的穩(wěn)定性、源和負(fù)載電力變換裝置的控制方法設(shè)計(jì)以及模塊之間的相互作用等方面內(nèi)容展開研究。

關(guān)鍵詞：船舶 配電系統(tǒng) 電力變換裝置

中圖分類號(hào)：F407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）04（b）-0097-01

隨著船舶綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展，越來越多的電力變換裝置逐漸應(yīng)用到船舶配電系統(tǒng)中。電力電子器件本身的非線性特性會(huì)使得電力變換系統(tǒng)之間產(chǎn)生互相影響，從而發(fā)生不穩(wěn)定、諧波以及其他的系統(tǒng)級(jí)問題。船舶電力系統(tǒng)在船舶上具有極為重要的地位，電力系統(tǒng)供電的連續(xù)性！可靠性和供電品質(zhì)，將直接影響船舶的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)和生命力在現(xiàn)代化船舶上，電站操作越來越復(fù)雜、電站自動(dòng)化程度日益提高，對(duì)電站管理人員的要求也越來越高。

1 船舶配電系統(tǒng)的概述

船舶電站是船舶的一個(gè)重要組成部分，其自動(dòng)化程度是船舶技術(shù)的重要標(biāo)志。船舶電站供配電系統(tǒng)一是供電質(zhì)量和供電可靠性，二是船舶電站自動(dòng)化程度。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大程度的變化，船舶電站逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的船舶電站自動(dòng)化控制、管理信息系統(tǒng)，集監(jiān)、控、管于一體的網(wǎng)絡(luò)型船舶電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。

船舶電力系統(tǒng)發(fā)展到一定階段以后必然會(huì)進(jìn)入船舶綜合電力系統(tǒng)階段，其主要標(biāo)志之一就是集成化和模塊化。所謂綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)，就是動(dòng)力推進(jìn)和日常用電共同用一個(gè)電力系統(tǒng)，從而構(gòu)成一個(gè)綜合的電力系統(tǒng)。IPS最大的特點(diǎn)是模塊化，根據(jù)功能不同，這些模塊在具體的艦艇IPS系統(tǒng)中，被劃分在4個(gè)子系統(tǒng)中，即發(fā)電和推進(jìn)子系統(tǒng)、艦艇日用電配電子系統(tǒng)、區(qū)域配電子系統(tǒng)和系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)。

在船舶綜合電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)組、配電裝置、系統(tǒng)調(diào)度和監(jiān)控、電力推進(jìn)和高能武器通過電力網(wǎng)絡(luò)集成在一起共同工作和運(yùn)行。電能在船舶電力系統(tǒng)中一開始只是作為一種輔助能源，實(shí)現(xiàn)船舶的照明等一般性功能。隨著綜合電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展以及采用電力作為能源的先天優(yōu)點(diǎn)，原先一些采用常規(guī)動(dòng)力系統(tǒng)作為能量來源的設(shè)備，也逐漸向電力化方向發(fā)展，另外電能開始逐漸取代傳統(tǒng)動(dòng)力成為艦船的推進(jìn)能源。因此，綜合電力系統(tǒng)（IPS）的出現(xiàn)滿足了船舶的實(shí)際應(yīng)用需求，促進(jìn)了船舶電力系統(tǒng)向集成化與模塊化方向的過渡。

2 船舶配電系統(tǒng)的新技術(shù)

作為船舶綜合全電力推進(jìn)技術(shù)的重要研究?jī)?nèi)容之一，基于電力變換裝置的船舶直流區(qū)域配電系統(tǒng)得到了越來越多的關(guān)注和研究。傳統(tǒng)的船舶輻射式配電方式靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載自動(dòng)調(diào)節(jié)性能比較差，冗余電源實(shí)現(xiàn)方案較為復(fù)雜，難以滿足余度供電和不間斷供電的要求。

船舶區(qū)域配電系統(tǒng)具有和分布式電源系統(tǒng)類似的特點(diǎn)，比如：（1）系統(tǒng)容量有限，同時(shí)由于推進(jìn)負(fù)載和高能武器等大功率負(fù)載的存在，負(fù)載的容量和發(fā)電機(jī)的容量接近；（2）電能經(jīng)過多次變換，最終為全船負(fù)載供電。同一個(gè)電力變換裝置既是前端變換裝置的負(fù)載，同時(shí)也是后端負(fù)載變換裝置的源，各個(gè)電力變換裝置之間相互耦合，源效應(yīng)與負(fù)載效應(yīng)較明顯；（3）全控型半導(dǎo)體器件在電力變換裝置的大量使用，提高了功率密度。但是由于半導(dǎo)體器件本身具有開關(guān)特性，因此電力變換裝置也同樣具有非線性特性。這種情況下，在某一穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)對(duì)電力變換裝置作小信號(hào)線性化處理和分析而得到的阻抗特性也會(huì)隨著電力電子器件的開關(guān)頻率不同而發(fā)生一定的變化。

隨著綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展，僅僅對(duì)電力變換裝置的功率器件、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及各種先進(jìn)的控制算法進(jìn)行研究已經(jīng)不能滿足船舶電力變換系統(tǒng)的要求了。因此，需要從系統(tǒng)的角度出發(fā)，對(duì)電力變換裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和穩(wěn)定控制，以便更好的滿足不同類型負(fù)載的供電要求。

船舶電力變換系統(tǒng)具有冗余度高、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。在船舶配電系統(tǒng)中，其電能的主要來源是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各種獨(dú)立、并聯(lián)的負(fù)載從左右直流母線上獲取電能。雖然系統(tǒng)中的這些電力變換裝置能夠獨(dú)立穩(wěn)定運(yùn)行，但在系統(tǒng)中運(yùn)行由于模塊之間互聯(lián)的相互影響，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降甚至發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。

在進(jìn)行船舶電力變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，由于缺少了對(duì)船舶電力變換系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的系統(tǒng)級(jí)分析和設(shè)計(jì)，因此，影響了船舶區(qū)域配電系統(tǒng)的可靠性。一般情況下，船舶電力變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要標(biāo)準(zhǔn)是各個(gè)電力變換裝置模塊的電氣性能、功率密度和外部接口等，而沒有考慮模塊在系統(tǒng)中運(yùn)行的穩(wěn)定性和對(duì)其他裝置的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，由于電力變換裝置的互聯(lián)，可能出現(xiàn)獨(dú)立工作時(shí)性能指標(biāo)合格的電力變換裝置在系統(tǒng)中發(fā)生嘯叫或者振蕩的現(xiàn)象，極端情況下還會(huì)導(dǎo)致器件損毀。目前，關(guān)于船舶電力變換系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和驗(yàn)證主要還是通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，這種方法缺乏有效的理論指導(dǎo)，造成了大量時(shí)間的浪費(fèi)，增加了系統(tǒng)研發(fā)和制造成本。在實(shí)際船舶區(qū)域配電系統(tǒng)中，存在著各種不同的用電設(shè)備，很多電力變換裝置的負(fù)載往往是容性或者感性，亦或是其他電力變換裝置。在設(shè)計(jì)的過程中，如果沒有考慮和分析單個(gè)電力變換裝置對(duì)系統(tǒng)整體的影響，那么即使裝置滿足單獨(dú)測(cè)試時(shí)的性能要求，在系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)也可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，影響配電系統(tǒng)和其他電力變換裝置的安全性及可靠性。因此有必要在單個(gè)電力變換裝置設(shè)計(jì)過程中從系統(tǒng)級(jí)角度出發(fā)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制方法的研究使得電力變換裝置能夠在滿足自身各方面電氣性能要求的同時(shí)，也能夠保證其在系統(tǒng)中穩(wěn)定運(yùn)行而不對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

3 船舶配電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

目前，我國(guó)船舶自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展達(dá)到了世界先進(jìn)水平，正朝著微機(jī)監(jiān)控、全面電氣化、綜合自動(dòng)化方向發(fā)展。高可靠性、功能齊全、分布式、多微機(jī)網(wǎng)絡(luò)式自動(dòng)化系統(tǒng)，將是未來船舶電站自動(dòng)化的發(fā)展方向。

4 結(jié)語

綜上所述，船舶電力變換系統(tǒng)穩(wěn)定性研究的目的和意義是為了從系統(tǒng)級(jí)的角度出發(fā)，對(duì)船舶電力變換系統(tǒng)及其互聯(lián)系統(tǒng)的相互影響進(jìn)行分析和研究，為船舶區(qū)域配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究奠定理論分析基礎(chǔ)，為故障情況下船舶配電系統(tǒng)的供電路徑重構(gòu)提供理論依據(jù)和現(xiàn)實(shí)參考，從而提高船舶配電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和生命力。

參考文獻(xiàn)

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